基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)直線插補(bǔ)

1、 基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)直線插補(bǔ)目錄第1章 概述2第2章 設(shè)計(jì)內(nèi)容的介紹32.1步進(jìn)電機(jī)原理32.2步進(jìn)電機(jī)的選擇42.3直線插補(bǔ)原理52.4設(shè)計(jì)目標(biāo)7第3章 設(shè)計(jì)思路 具體內(nèi)容73.1設(shè)計(jì)思路73.2單片機(jī)及其最小系統(tǒng)73.3 按鍵電路83.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路93.5液晶顯示9第四章 程序設(shè)計(jì)11第五章 總結(jié)12參考文獻(xiàn)13附錄13摘要本設(shè)計(jì)為基于51單片機(jī)，利用兩個(gè)四相八拍步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)四個(gè)象限中直線插補(bǔ)的過程。其中一個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)X正負(fù)方向的插補(bǔ)，另一個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)代表Y軸正負(fù)方向插補(bǔ)。并對(duì)該插補(bǔ)算法的原理及其實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了闡述,通過按鍵啟動(dòng)插補(bǔ)過程，插補(bǔ)結(jié)束后電機(jī)自動(dòng)停止。通過LC

2、D1602液晶實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)過程中插補(bǔ)方向的顯示，最終完成了步進(jìn)電機(jī)的插補(bǔ)過程。關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) 直線插補(bǔ) 液晶顯示第1章 概述數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制技術(shù)，利用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床及其加工過程進(jìn)行自動(dòng)控制，主要用于數(shù)控機(jī)床、線切割機(jī)、焊接機(jī)、氣割機(jī) 以及低速小型數(shù)字繪圖儀等。數(shù)控機(jī)床可以加工形狀復(fù)雜的零件，具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、便于改變加工零件品種等眾多優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。逐點(diǎn)比較法是數(shù)控機(jī)床在加工曲線時(shí)常用的一種方法，是常用的脈沖增量插補(bǔ)方法。它是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線，與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個(gè)脈沖當(dāng)量，當(dāng)脈沖當(dāng)量足夠小時(shí)，就可以達(dá)

3、到相當(dāng)高的加工精度。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中非常重要的工具之一，它是一種將電脈沖信號(hào)變換成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收計(jì)算機(jī)發(fā)來的指令脈沖后，步進(jìn)電機(jī)會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的工具臺(tái)相連，從而可以驅(qū)動(dòng)刀具對(duì)工件進(jìn)行切割。指令脈沖的數(shù)量決定道具的總移動(dòng)量，指令脈沖的頻率決定道具移動(dòng)速度。這樣，利用步進(jìn)電機(jī)可以很容易的控制操作臺(tái)進(jìn)行工件的加工。第2章 設(shè)計(jì)內(nèi)容的介紹 2.1步進(jìn)電機(jī)原理步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移。當(dāng)給定一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，也就是步進(jìn)角。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，

4、我們可以通過控制給定的脈沖個(gè)數(shù)，從而精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。同樣也可以通過控制脈沖頻率控制它的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2-1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖2-1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，

5、1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2-2所示：圖2-2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。在本次課程設(shè)計(jì)中，我們小組選用的是28BYJ48型四相八拍的步進(jìn)電機(jī)，供電電壓為DC5V。該步進(jìn)電機(jī)有四根控制線，對(duì)應(yīng)A-B-C-D，另一根為電源線。四根線排列方式為：A-AB-B-BC-C-CD-D

6、-DA-A。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加控制脈沖時(shí)，它可以轉(zhuǎn)動(dòng)，四相八拍步進(jìn)電機(jī)給定八個(gè)脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一周。由于本電機(jī)采用的時(shí)減速電機(jī)，減速比為64:1，所以當(dāng)內(nèi)部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)64圈后，外部才會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組，通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行， 28BYJ48步進(jìn)電機(jī)四相八拍相序表如表1所示： 序號(hào)四相通電情況通電情況1000101 H2001103 H3001002 H4011006 H5010004 H611000C H71000

7、08 H8100109 H表1 28BYJ48步進(jìn)電機(jī)相序表當(dāng)根據(jù)時(shí)序表整列給電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)正轉(zhuǎn)，當(dāng)逆著相序表給脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的則反轉(zhuǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。28BYJ48步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示表2 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)由表可知，每個(gè)脈沖電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)5.625度，當(dāng)給8個(gè)脈沖后，電機(jī)則轉(zhuǎn)動(dòng)45度，給定64個(gè)脈沖，電機(jī)則轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。由于減速比為64:1，故需要內(nèi)部線圈轉(zhuǎn)動(dòng)64*64=4096圈，外部轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。2.3逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)法原理 所謂直線插補(bǔ)就是只能用于實(shí)際輪廓是直線的插補(bǔ)方式。當(dāng)?shù)毒呋蚶L圖筆每走一步，都要和給定的軌跡上的坐標(biāo)進(jìn)行比較，看這點(diǎn)是在直線的上方還是

8、下方，或是給定軌跡的里面還是外面，從而決定下一步進(jìn)給的方向。如果在軌跡上方，就往下方走，在下方，就往上方走，從而逐步逼近軌跡。2.3.1逐點(diǎn)比較法的四個(gè)基本步驟偏差判別：根據(jù)偏差判斷應(yīng)該向哪個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)給；坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)判別結(jié)果，沿相應(yīng)的坐標(biāo)方向進(jìn)給；新偏差計(jì)算：根據(jù)偏差函數(shù)，計(jì)算進(jìn)給后偏差，作為下次偏差判別的依據(jù)；終點(diǎn)比較：判斷是否達(dá)到終點(diǎn)，若達(dá)到終點(diǎn)則結(jié)束本次插補(bǔ)，否則轉(zhuǎn)繼續(xù)執(zhí)行。 2.3.2四個(gè)象限的直線插補(bǔ) n n 設(shè)A1、A2、A3、A4分別表示第一、第二、第三、第四象限的四種線型。它們的加工起點(diǎn)均從坐標(biāo)原點(diǎn)開始，則刀具進(jìn)給方向如圖2-3所示。凡F0時(shí)，向x方向進(jìn)給，在第 一、四象限

9、向+ x 方向進(jìn)給；在二、三象限，向-x方向進(jìn) 給；凡F<0時(shí)，向y方向進(jìn)給，在第一、二象限向+y方向進(jìn) 給；在三、四象限，向-y方向進(jìn)給。不管是哪個(gè)象限，都 采用與第一象限相同的偏差計(jì)算公式，只是式中的終點(diǎn)坐標(biāo)值均取絕對(duì)值。圖2-3 四個(gè)象限給進(jìn)方向表3 四象限的進(jìn)給脈沖和偏差計(jì)算四種線型的偏差計(jì)算公式是相同的，差別在于進(jìn)給方向不同。流程圖中的“沿xe方向走一步”或“沿ye方向走一 步”，因不同線型的xe 、ye位于不同象限，因而實(shí)際的進(jìn) 給方向是不相同的。因此，對(duì)任一直線在插補(bǔ)前，應(yīng)根據(jù) xe 、 ye的符號(hào)判斷該線型屬于哪一象限。2.4設(shè)計(jì)目標(biāo)利用四相八拍步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四個(gè)象限的直線

10、插補(bǔ)，使用兩個(gè)四相八拍步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)X正方向正轉(zhuǎn)，負(fù)方向反轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)y正方向正轉(zhuǎn)，負(fù)方向反轉(zhuǎn)。當(dāng)按鍵按下啟動(dòng)插補(bǔ)后，液晶顯示屏每一步插補(bǔ)進(jìn)給的方向。第3章 設(shè)計(jì)思路與具體內(nèi)容 3.1設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)主要由供電電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)以及液晶顯示屏等幾部分組成。本系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)X正方向正轉(zhuǎn)，負(fù)方向反轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)y正方向正轉(zhuǎn)，負(fù)方向反轉(zhuǎn)。使用的步進(jìn)電機(jī)為28BYJ48型四相八拍電機(jī)，采用獨(dú)立DC5V供電。使用按鍵實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)的啟動(dòng)過程，液晶顯示插補(bǔ)方向。總體設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路按鍵啟動(dòng)插補(bǔ)單片機(jī)最小系

11、統(tǒng) 液晶顯示 步進(jìn)電機(jī)圖3.1 總體設(shè)計(jì)框圖3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)及按鍵部分51單片機(jī)主要完成對(duì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以及顯示的控制，其中最小系統(tǒng)是單片機(jī)能正常工作的必不可少得一部分。51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機(jī)，它是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，且支持在線編程，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)和復(fù)位電路，晶振，電源部分。最小系統(tǒng)電路如圖所示： 圖3.2 AT89S52單片機(jī)圖3.3 晶振電路圖3.4 復(fù)位電路圖3.5 電源電路3.3 按鍵電路按鍵電路實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)過程的啟動(dòng)，其原理圖如圖3.6所示。圖3.6 按鍵電路 3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片采

12、用ULN2003A，其硬件電路如圖3.7所示。圖3.7 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路3.5 液晶顯示電路使用液晶顯示插補(bǔ)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，其電路圖如圖3.8所示圖3.8 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路第四章 程序設(shè)計(jì) 根據(jù)單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)以及插補(bǔ)過程原理，基于51單片機(jī)的C語言軟件功能實(shí)現(xiàn)四個(gè)象限的直線插補(bǔ)過程?；拒浖O(shè)計(jì)流程如圖4.1所示。該圖按照插補(bǔ)計(jì)算過程的4個(gè)步驟：偏差判別，坐標(biāo)進(jìn)給，偏差計(jì)算，終點(diǎn)判斷來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算程序。偏差判別，偏差計(jì)算，終點(diǎn)判別是邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，容易編寫程序，而坐標(biāo)進(jìn)給是給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送走步脈沖，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)或道具移動(dòng)。圖4.1 程序流程圖此外，為了反映坐標(biāo)進(jìn)

13、給方向的情況，本設(shè)計(jì)添加了液晶顯示模塊，實(shí)現(xiàn)記錄顯示進(jìn)給過程。第五章 心得體會(huì)通過此次課程設(shè)計(jì)，我明白了理論學(xué)習(xí)中插補(bǔ)過程及步進(jìn)電機(jī)工作原理的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步加深了對(duì)理論知識(shí)的理解。從設(shè)計(jì)程序到完成程序，我用了近兩天時(shí)間，在這兩天中，思路在一遍又一遍的更新，程序在一遍又一遍的更改。從之前的第一象限插補(bǔ)改進(jìn)到了四個(gè)象限的插補(bǔ)，從單調(diào)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，到按鍵控制啟動(dòng)，液晶顯示的過程。在這個(gè)過程中，我遇到許許多多的問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期知識(shí)的欠缺和經(jīng)驗(yàn)的不足。實(shí)踐出真知，通過親自動(dòng)手制作，使我掌握的知識(shí)不再是紙上談兵，而是學(xué)以致用。這次課程設(shè)計(jì)是我

14、認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展中的重要地位，使我明白了平時(shí)枯燥的理論學(xué)習(xí)原來那么重要。通過實(shí)際動(dòng)手，我深刻感受到理論基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐結(jié)合的重要性，我覺得平時(shí)的課堂不再那么無聊，反而給了我學(xué)習(xí)這門課程的積極性，讓我充滿好奇的去慢慢探索它的奧妙。最重要的是，在本次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法，而這些都將為日后做準(zhǔn)備，會(huì)使我們終身都受益匪淺。面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐，才能在最大程度上發(fā)掘自己，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)于我們的將來有莫大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。參考文獻(xiàn) 1 丁元杰著.單片微機(jī)原理及

15、應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社，2010年1月2于海生著.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社，2011年9月附錄1、作品實(shí)物圖2、主要程序代碼#include <reg51.h> /51芯片管腳定義頭文件#include <intrins.h> /內(nèi)部包含延時(shí)函數(shù) _nop_();#include "LCD1602.h" /LCD1602液晶頭文件#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code FFW8=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;

16、/*四相八拍正轉(zhuǎn)編碼*/uchar code REV8=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;/*四相八拍反轉(zhuǎn)編碼*/sbit K1 = P32; /啟動(dòng)按鍵int Xe=-8; /終點(diǎn)X坐標(biāo)int Ye=6; /終點(diǎn)Y坐標(biāo)int Ym=0; /當(dāng)前X坐標(biāo)int Xm=0;/當(dāng)前Y坐標(biāo)uint XOY; /象限（1,2,3,4）uint ZF; /方向標(biāo)志位（+X，+Y，-X，-Y） int r; /變量int N=64; /N 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)int M=5; /變量，與液晶顯示位置有關(guān)int MM=0; /變量，與液晶顯示位置有關(guān)int cstep

17、; /步數(shù)int abs(int x); /取絕對(duì)值函數(shù)void delay(uint t); /延時(shí)函數(shù)void XZstep(); /X正向走步函數(shù)void YZstep(); /Y軸正向走步函數(shù)void XFstep(); /X軸反向走步函數(shù)void YFstep(); /Y軸反向走步函數(shù)int pdxoy(int x,int y); / 判斷哪個(gè)象限函數(shù)void InitLCD() /LCD初始化LCDReset();InputMode(0x06); /增量方式，不移位DispControl(0x0c);/顯示開，光標(biāo)關(guān)，閃爍關(guān)FunctionSet(0x38);/8位，2行，5

18、15;7/* 主程序 */main() int Fm=0; /偏差判別式 cstep=abs(Xe)+abs(Ye); /走的總步數(shù) InitLCD(); /液晶初始化 XOY=pdxoy(Xe,Ye); /XOY為象限值 while(1) /液晶顯示DIR：（direction標(biāo)志） DispCharacter(0,1,'D');DispCharacter(0,2,'I');DispCharacter(0,3,'R');DispCharacter(0,4,':'); if(K1=0) /判斷按鍵是否按下 while(cstep!

19、=0) /當(dāng)步數(shù)不為零時(shí)執(zhí)行程序，為零時(shí)停止 if(Fm>=0) /偏差判別 if(XOY=1) | (XOY=4) /判別是否為第1或第四象限 ZF=1; /方向標(biāo)志位 else ZF=2; Fm=Fm-abs(Ye);/更新偏差判別式else if(XOY=1) | (XOY=2) ZF=3; else ZF=4; Fm=Fm+abs(Xe);switch(ZF) /判斷不同方向標(biāo)志位執(zhí)行不同結(jié)果 case 1: YZstep(); /Y正軸走步if(M=16 | M=17) /*此判斷與液晶顯示有關(guān)，若第一行顯示滿，則換行顯示，顯示方向，即四種情況：X，-X，Y，-Y*/ Disp

20、Character(1,MM+,'X'); else DispCharacter(0,M+,'X'); break;case 2: YFstep(); /Y反軸走步 if(M>=16) DispCharacter(1,MM+,'-'); DispCharacter(1,MM+,'X'); else DispCharacter(0,M+,'-'); DispCharacter(0,M+,'X'); break; case 3: XZstep(); /X正軸走步if(M=16 | M=17) Di

21、spCharacter(1,MM+,'Y'); else DispCharacter(0,M+,'Y'); break; case 4: XFstep();/X反軸走步 if(M=16 | M=17) DispCharacter(1,MM+,'-'); DispCharacter(1,MM+,'Y');else DispCharacter(0,M+,'-'); DispCharacter(0,M+,'Y');break; delay(200); cstep-; int abs(int x) /取絕對(duì)值函數(shù) if(x<0) x=-x; return(x);void delay(uint t) /延時(shí)函數(shù) ui